Grundwissen Physik JS 9 — Grundfertigkeiten

Grundwissen Physik JS 9 — Grundfertigkeiten
1. Wozu ist ein Versuchsprotokoll notwendig
und nach welchem Schema ist es aufgebaut?
Was sind die Hauptfehler in Versuchsprotokollen?
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3. März 2017
Lösung Der Versuch soll anhand der Aufbaubeschreibung exakt reproduzierbar sein.
• Versuchsziel:
• Benötigte Geräte:
• Versuchsaufbau: Wortformulierungen mit Skizze
• Versuchsdurchführung: Was soll gemessen bzw. beobachtet werden?
• Beobachtung: Welche Messwerte wurden durch den
Versuch erhalten, was hat man gesehen, gehört, . . .
• Auswertung/Deutung: Darstellung des Sachverhalt in
Diagrammen, Vergleich mit einer bekannten Formel,
Abschätzen von Fehlern . . .
Hauptfehler sind das Vermischen von Beobachtung und
Auswertung, das Manipulieren von Messwerten und
das Vorwegnehmen eines vermuteten Zusammenhangs.
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2. Wie werden physikalische Rechenaufgaben
richtig gelöst?
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Lösung
• Notieren der geg. Größen, Aufstellen und anschließendes Auflösen der Formel nach der gesuchten Größe.
• Einsetzen der geg. Größen samt Einheiten und Berechnen des Ergebnisses. Beim Verwenden der SIEinheiten erhält man das Ergebnis in der SI-Einheit.
• Endergebnisses sinnvoll Runden; z.B. nach der
„gültigen-Ziffer-Regel“: Gerundet wird nur das Endergebnis und zwar mit so vielen gültigen Ziffern, wie
die ungenauste der eingesetzten Größen.
Beispiel:
4 gZ
2 gZ
3 gZ
z }| {
z }| {
z }| {
s 3,120 m
= 240 m/s = 2,4 · 102 m/s
v= =
t
0,013 s
| {z }
2 gZ
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Grundwissen Physik JS 9 — Magnetisches und elektrisches Feld
3. März 2017
3. a) Was versteht man unter einem Dauermagneten?
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Lösung
a) Magnete sind Körper, die andere Körper aus Eisen,
Nickel oder Cobald (ferromagnetische Stoffe) anziehen.
Jeder Magnet hat (mindestens) zwei Pole, einen Nordpol, meist rot, und einen Südpol, meist grün markiert.
b) Wie kommt die magnetische Wirkung eines Dauermagneten zustande, wie kann
man sie beiseitigen?
b) In dem Magneten sind
kleine Elementarmagnete, die sich bevorzugt in eine Richtung
ausrichten. Beseitigen
lässt sich die magn.
Wirkung durch starkes Klopfen oder erhitzen.
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4. a) Was versteht man unter Magnetfeldlinien?
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Lösung
a) Magnetfeldlinie sind
gedachte Linien, die in
jedem Punkt des Magnetfeldes angeben, in
welche Richtung ein
kleine Kompassnadel
zeigen würde.
b) Welche Eigenschaften haben sie?
b) Magnetfeldlinien sind geschlossen (gehen also auch
im Inneren des Magneten weiter), überschneiden sich
nie und zeigen außerhalb des magnetenvom Nordzum Südpol (Festlegung)
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5. a) Wie entstehen um elektrische Leiter magnetische Felder?
b) Wie sieht das Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters aus?
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Lösung
a) Magnetische Felder entstehen durch das Fließen des
Stromes.
b) Um den Raum des Leiters existiert ein Magnetfeld,
das in einer Ebene senkrecht zum Leiter aus konzentrischen Kreisen besteht. Die Feldlinienrichtung wird
mit der Rechten-Hand-Regel bestimmt.
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6. a) Wie entsteht das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule?
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Lösung
a) Die Magnetfelder der Leiterstücke überlagern sich so,
dass sie ein Gesamtmangetfeld erzeugen, das dem
eines Stabmagneten gleicht.
b) Wie und wovon hängt die Stärke des
Magnetfeldes einer stromdurchflossenen
Spule ab?
b) Das Magnetfeld ist umso stärker, je größer die Stromstärke und die Windungszahl, und je kleiner(!) die
Länge der Spule ist. Ein Eisenkern (oder auch andere
Materialien) innerhalb der Spule verstärken das Magnetfeld erheblich.
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7. Was versteht man unter der Lorentzkraft?
Welche Eingenschaften hat sie?
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8. Erkläre das Funktionsprinzip eines Gleichstromelektromotors.
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Lösung Fließt ein el. Strom in nicht paralleler Richtung zu einem Magnetfeld, so wirkt auf die Ladungsträger die sog. Lorentzkraft. Sie steht senkrecht auf der
Magnetfeld- und der Stromrichtung und lässt sich mit
der Dreifingerregel bestimmen.
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Lösung In einem Magnetfeld (Stator) bewegt sich eine
Spule (Rotor) die über einen Kommutator (Polwender)
mit Strom versorgt wird. Durch diesen Stromfluss
wird der Rotor selbst zum Magneten und dadurch bei
geeigneter Lage im Stator in eine kurz Halbdrehung
versetzt wird. Damit sich der Rotor weiterdreht, polt
der Kommutator den Strom um, und es es folgt die
nächste Halbdrehung bis zur nächsten Umpolung.
Dieser Vorgang setzt sich immer so fort.
+
-
Stromzuführung
durch Schleifkontakte
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9. a) Was versteht man unter Reibungselektrizität?
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Lösung
a) Jedes Material enthält positive und negative elektrische Ladungen, die sich normalerweise ausgleichen.
Durch Reibung kann aber ein sehr geringer Teil negativer Ladungen aus einem Reibepartner herausgerissen und vom anderen aufgenommen werden. Ein
Partner ist dann positiv, der andere negativ geladen.
b) Nenne Beispiele des Alltags, bei denen
Reibungselektrizität auftritt
b) Trennen zweier Folien (z.B. Abrollen von Frischhaltefolie), Laufen auf einem Kunststoffteppich, Wollpullover über T-Shirt ausziehen, kämmen von trockenen
Haaren, Umfüllen von Schüttgütern und Flüssigkeiten (Gewitterwolken)
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10. Welche Unterschiede gibt es zwischen magnetischen und elektrischen Feldern?
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Lösung
Entstehung
Feldlinien
einzelne
Pole
el. Ladungen
werden
durch
die
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11. a) Wann tritt in einer Leitungsschleife Induktion auf?
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Magnetfeld
Bewegung el. Ladungen
stets geschlossen, also auch innerhalb des
Magneten vorhanden
Nord- und Südpol treten nur gemeinsam
auf
Lorentzkraft
senkrecht zur Bewegungsund Magnetfeldrichtung abgelenkt, aber
nur wenn sich die
Teilchen bewegen
Elektrisches Feld
Existenz el. Ladungen
Beginnen bei pos.
und enden auf
neg. Ladungen
Plus- und Minuspol können einzeln vorkommen
el.
Kraft
in
Feldrichtung
beschleunigt,
auch wenn die
Teilchen ruhen
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Lösung
a) Induktion tritt in einer Leiterschleife tritt auf, wenn
sich die „Anzahl der Feldlinien“, die die Leiterschleife
durchsetzen, ändert. Das kann erfolgen durch
• Änderung der Magnetfeldstärke,
• Änderung der Querschnittfläche des Leiters im Magnetfeld oder
• Änderung des Winkels, den die Querschnittsfläche
mit dem B-Feld bildet.
b) Nenne technische Anwendungen der Induktion, erkläre eine davon etwas genauer.
b) Generator, Transformator, FI-Sicherung, Datenspeicherung, Tonabnehmersysteme, Antiblockiersystem,
Diebstahlsicherung, Induktionsschleifen im Straßenverkehr, Wirbelstrombremse, Induktionsherd, Münzprüfung, Metalldetektoren.
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Grundwissen Physik JS 9 — Atome
12. a) Beschreibe den Aufbau von Atomen.
3. März 2017
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Lösung
a) • Sie besitzen in den Hülle negativ geladenen Elektronen, die sich auf Energieschalen befinden.
• Im Kern befinden sich positiv geladene Protonen
und el. neutrale Neutronen die jeweils aus 3 Quarks
bestehen.
• Elektronen und Protonen tragen jeweils die kleinste
Ladungseinheit, Elementarladung genannt.
• Fast die gesamte Masse befindet sich im Kern
• Die Hülle hat etwa den 10000-fachen Radius des
Atomkerns.
b) Was versteht man unter Isotopen? Beispiele.
b) Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt. Es gibt
z.B. 20-Na und 21-Na (mit 9 bzw. 10 Neutronen) und
neben 1-H, 2-H und 3-H mit keinem, einem bzw. zwei
Neutronen im Kern.
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13. a) Was versteht man unter einem Farbspektrum?
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Lösung
a) Jeder Stoff sendet ein für ihn charakteristisches Farbmuster aus, das am mit Hilfe eines Spektrometers
sichtbar machen kann.
b) Wie sieht das Farbspektrum von weißem
Licht aus?
b) Es kann z.B. wie das Sonnenlicht ein kontinuierliches
Spektrum sein, das alle Farben enthält, aber auch wie
bei Energiesparlampen nur einige Farben enthalten.
c) Was versteht man unter Spektralanalyse
und wozu ist sie nützlich?
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c) Bei der Spektralanalyse zerlegt man das Licht, das ein
Körper aussendet in seine Spektralfarben und kann
damit Rückschlüsse auf den Körper ziehen z.B. über
den Aufbau von Atomen, Kristallen oder Sternen, Suche nach Exoplaneten.
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14. a) Wie kommt es zum charakteristischen
Spektrum der Atome?
b) In welcher Einheit werden atomare Energien normalerweise gemessen, wie ist die
Umrechnung in die SI-Einheit?
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Lösung
a) • Die Elektronen eines Atoms befinden sich auf Energieschalen, die für das Atom typisch sind.
• Bei Energiezufuhr springen immer wieder Elektronen auf höher Schalen und nach kurzer Zeit wieder
zurück.
• Beim Zurückspringen senden das Atom ein Photon
mit genau der Energie aus, die dem Unterschied der
beiden Energieschalen entspricht.
b) Atomare Energien misst man in Elektronenvolt.
1eV = 1,602 · 10−19 J
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15. • Wie werden Röntgenstrahlen in einer
Röntgenröhre erzeugt?
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Lösung Aus einer Heizwendel treten Elektronen aus,
die durch eine el. Spannung stark beschleunigt werden.
Treffen diese Elektronen auf eine Metallanode, schlagen
sie kernnahe Elektronen aus den Metallatomen. Die
Elektronen der höheren Schalen füllen die Lücken und
senden so das für das Anodenmaterial charakteristische
Spektrum aus.
• Wie kommt es zum charakteristischen
Spektrum der Röntgenstrahlung?
• Wofür ist dieses Spektrum charakteristisch?
Metallanode
Glühkathode
Röntgenstrahlung
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16. a) Was versteht man unter natürlicher bzw.
künstlicher Radioaktivität?
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Lösung
a) Radioaktivität bezeichnet die Erscheinung, dass sich
Atomkerne unter Abgabe sehr energiereicher Strahlung verändern. Bei der natürliche Radioaktivität
wandeln sich in der Natur vorkommenden Nuklide um, bei der künstliche Radioaktivität werden z.B.
durch Neutronenbeschuss radioaktive Elemente erzeugt, die dann zerfallen.
b) Welche Arten radioaktiver Strahlung gibt
es, wie lauten die Kernumwandlungen?
c) Was versteht man unter Zerfallsreihen?
b)
α–Strahlung
β− –Strahlung
γ–Strahlung
A
ZX
A
ZX
A ∗
ZX
−−−→ AZ –– 24Y + 42α
A
−−−→ X+1
Y + – 01e + ν
A
−−−→ ZX + γ
c) Die aus einem radioaktive Zerfall entstehenden Isotope sind meist wieder radioaktiv und zerfallen wieder,
so dass eine ganze Zerfallsreihe entsteht, die letztendlich bei einem stabilen Nuklid (meist Blei) endet.
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17. a) Was versteht man unter elektromagnetischer Strahlung?
b) Was versteht man unter ionisierender
Strahlung und welche Gefahren sind mit
ihr verbunden?
c) Wie ist die Strahlenbelastung des Menschen auf die verschiedenen Quellen verteilt?
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Lösung
a) Angefangen bei hohen Energien: Die Höhen-,
Gamma-, Röntgen- und UV-Strahlung, das sichtbare
Licht, Infrarot-, Mikrowellen-, Mobil- und Rundfunkstrahlung.
b) Strahlung mit höherer Energie als sichtbares Licht
dringt in den Körper ein, ist ionisierend, und
c) kann durch Zellveränderungen zu Krebs, Sterilität,
Organschäden und Missbildungen führen.
4,3 mSv/a
natürliche Strahlung
künstliche Strahlung
Nahrungsweitere künstl.
terrestrische
aufnahme 7%
Strahlung 1%
Strahlung 12%
Höhenstrahlung 7%
Inhalation von Radon 30%
medizinische
Anwendungen 43%
(v.a. Röntgen)
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18. a) Welche Möglichkeiten des Strahlungsnachweises gibt es?
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Lösung
a) Strahlungsnachweis kann erfolgen durch Ablenkung
im magnetischen oder elektrischen Feld (α- und βStrahlung), durch die Ionisation von Gasen (Nebelkammer, Geiger-Müller-Zähler) oder Schwärzung
von Filmmaterial (z.B. beim Dosimeter).
b) Wovon hängt das Durchdringungsvermögen von Strahlung ab? Nenne typische
Werte.
b) Das Durchdringungsvermögen von Strahlung ist abhängig von der Art und Energie der Strahlung sowie
der Dicke und dem Material des durchstrahlten Stoffes. α-Strahlen werden von einem Blatt Papier zurückgehalten, für β-Strahlen benötigt man ein Aluminiumblech, γ-Strahlen werden selbst von dicken Bleiplatten
nur teilweise absorbiert.
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19. Was versteht man unter der Halbwertszeit
von radioaktiven Stoffen?
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Lösung Wann ein einzelnes radioaktives Nuklid zerfällt ist zufällig und kann nicht vorhergesagt werden.
Wenn man jedoch sehr viele Nuklide betrachtet, kann
man sagen, nach welcher Zeit die Hälfte dieser Nuklide
zerfallen ist, diese
Zeit
bezeichnet
man als Halbwertzeit tH des Nuklids.
Die Halbwertszeit
der
verschiedenen Nuklide liegt
zwischen Sekundenbruchteilen
und Milliarden von
Jahren.
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20. Nenne nützliche Anwendungen von ionisierender Strahlung
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Lösung
Medizin bei der Diagnose (Tomographie, Röntgendiagnose) Tumorbekämpfung, Rheuma und Schmerztherapie.
Biologie bei der Bestrahlung von Lebensmitteln und
Lebewesen zur Sterilisation und Züchtung.
Technik bei diversen Materialprüfungen, der Altersbestimmung von Fossilien oder Gesteinen und in Feuerund Rauchmeldern.
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21. a) Was versteht man unter Kernspaltung,
warum kann sie zu Kettenreaktionen führen?
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b) Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung
leichter Nuklide zu schwereren. Es sind allerdings
Temperaturen von ca. 15 Mio Kelvin und ein Druck
von 1 · 1016 Pa nötig.
c) Wo findet Kernfusion statt?
d) Warum kann man sowohl bei der Kernspaltung als auch der Kernfusion Energie
gewinnen?
22. Wie kommt es zu einer gesteuerten Kettenreaktion in einem Kernreaktor?
Lösung
a) Beschießt man Nuklide mit Neutronen, werden sie
in leichtere Nuklide zerlegt. Dabei werden weitere
Neutronen frei, die so eine Kettenreaktion auslösen
können.
b) Was versteht man unter Kernfusion, unter
welchen Bedingungen läuft sie ab?
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c) Alle Sterne gewinnen ihre Energie aus Kernfusion.
d) Bei beiden Vorgängen sind die Reaktionsprodukte leichter als die Ausgangsprodukte (Massendefekt
∆m), so dass Energie der Menge E = ∆m · c2 frei wird.
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Lösung Man benötigt
• eine ausreichende Masse an spaltbarem Material (z.B.
238
angereicherter Uranoxid, 3, 5% 235
92U, 96, 5% 92U )
• einen Moderator (Wasser, Grafit) der die freie Neutronen abbremst.
• Regelstäbe aus Bor oder Cadmium, die Neutronen
absorbieren, und somit die Neutronenzahl steuern.
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23. Nenne Vor- und Nachteile der Kernenergie
gegenüber anderen Energieformen.
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Lösung
Vorteile
• Sehr geringe Mengen am Brennstoff nötig ( 1:30000
gegenüber Kohle), der in erheblichen Mengen vorhanden ist
• Sehr geringe CO2 -Emission
• Sehr geringer Flächenverbrauch (1 : 600 gegenüber
Windrädern)
• Konstante Stromproduktion
Nachteile
• Unfälle mit katastrophalen Auswirkungen
• Endlagerung der mehrere Tausend Jahre strahlenden Abfälle
• Wiederaufbereitungsanlagen können zur Kernwaffenproduktion dienen
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